毛囊黑素干細胞分化與移行調(diào)控機制的研究進展

毛囊作為一個重要的成體干細胞貯存區(qū)域，其富含的干細胞可分化形成毛囊及上皮的多種細胞，對維持毛發(fā)的周期性生長有重要作用[1]。其中毛囊黑素干細胞起源于神經(jīng)嵴，并遷移通過真皮和表皮最終停留在毛囊，目前研究已經(jīng)表明它的生理功能包括兩方面，一方面向上移行進入表皮形成表皮黑素單元；另一方面，在毛囊生長期，毛囊黑素干細胞周期性向下進入毛母質(zhì)形成毛囊黑素單元[2]。毛囊黑素干細胞在形成毛囊黑素單元過程中，主要受比鄰的毛囊干細胞、角質(zhì)形成細胞、毛乳頭細胞、周邊的基底膜成分及內(nèi)在的轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)控，這些細胞和基質(zhì)蛋白通過不同的通路調(diào)節(jié)了毛囊黑素干細胞的分化和移行。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的調(diào)控毛囊黑素干細胞的細胞因子及其信號系統(tǒng)有：①來自毛囊上皮干細胞的Wnt信號通路、骨形成蛋白（BMP）/轉(zhuǎn)化生長因子β（TGF-β）通路、內(nèi)皮素-1（ET-1）及其配體信號通路；②來自毛乳頭細胞的干細胞因子（SCF）/c-Kit信號通路；③來自毛囊微環(huán)境其他細胞的細胞因子及毛囊黑素干細胞自身內(nèi)在的信號傳導通路，如：Notch、小眼畸形相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（Mitf）、Sox10通路等。由于毛囊黑素干細胞受微環(huán)境多種信號通路調(diào)控，并且信號通路交織成網(wǎng)，因此一些信號系統(tǒng)可能主要來自于某一類細胞，但其他細胞分泌的細胞因子也參與其中，如：毛囊黑素干細胞主要受到毛囊上皮干細胞分泌的ET-1調(diào)控作用，但外毛根鞘角質(zhì)形成細胞分泌的ET-1也參與其中，為了能從細胞層面理解微環(huán)境對毛囊黑素干細胞的調(diào)控作用，我們做綜述如下。

1 毛囊上皮干細胞對毛囊黑素干細胞的調(diào)節(jié)作用

毛囊黑素干細胞與毛囊隆突及次級毛囊胚芽中的毛囊上皮干細胞密切相關(guān)，它們共同作用參與了色素性毛發(fā)的再生，目前研究發(fā)現(xiàn)Wnt信號通路是連接這兩種干細胞的關(guān)鍵通路，并且毛囊上皮干細胞分泌的內(nèi)皮素-1是黑素干細胞的主要調(diào)節(jié)因子。另外，毛囊上皮干細胞也通過其分泌的對黑素干細胞非常重要的TGF-β信號通路來維持對黑素干細胞的微環(huán)境[3-4]。

1.1 Wnt信號通路：Wnt屬于分泌型糖蛋白，毛囊上皮干細胞和黑素干細胞均可生成。既往研究表明Wnt信號通路在毛囊發(fā)生和干細胞的遷移及分化中至關(guān)重要。在毛囊的形態(tài)發(fā)生中，Wnt作為初始信號通路不僅參與了胚胎毛囊基板的形成，而且對于毛發(fā)的自我更新具有關(guān)鍵作用[5-6]，它主要通過調(diào)節(jié)毛囊上皮干細胞進入細胞周期并協(xié)同不同的調(diào)控信號調(diào)節(jié)干細胞向相應(yīng)的細胞分化來發(fā)揮生理功能[7]。Rabbani等[8]通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)調(diào)控EpSCs或McSCs內(nèi)多種基因的表達，最后證明毛囊上皮干細胞通過Wnt通路調(diào)控黑素干細胞過程如下：在毛囊開始進入生長期時，毛囊上皮干細胞內(nèi)Wnt自發(fā)激活，然后毛囊上皮干細胞通過表達Wnt配體來激活鄰近黑素干細胞的Wnt信號。黑素干細胞內(nèi)Wnt的激活導致降解β-catenin的GSK3β被抑制，而β-catenin降解被抑制則導致其在細胞質(zhì)中積累，積累的β-catenin進一步轉(zhuǎn)位到細胞核與轉(zhuǎn)錄因子TCF/LEF結(jié)合調(diào)節(jié)Wnt信號靶基因的轉(zhuǎn)錄，包括小眼畸形相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（microphthalmia-associated transcription factor， Mitf）、酪氨酸酶（tyrosinase， TYR）、酪氨酸酶相關(guān)蛋白1 （tyrosinase related protein 1， TRP-1）及內(nèi)皮素受體（Endothelins receptor， EDNR）等，然后進一步導致毛囊黑素干細胞分化。另外，毛囊上皮干細胞分泌的內(nèi)皮素-1（Endothlin 1， ET-1）可以與黑素干細胞表面EDNR結(jié)合導致黑素細胞增生并分化，向下移行進入毛球部，參與有色毛囊的生成。Nishikawa等[9]通過Wnt通路抑制物Wif1、Sfrp1、Dkk4等在毛囊外毛根鞘隆突區(qū)高表達的研究，發(fā)現(xiàn)Wnt抑制物的表達可降低Wnt活性，下調(diào)Mitf的有效性，Mitf是黑素細胞分化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，其調(diào)控著黑素生成相關(guān)酶TYR、TRP-1和TRP-2的表達，Wnt通過Mitf控制了毛囊黑素干細胞的定向分化。此外Wnt信號通路還影響黑素干細胞中Pax3和Sox10的分子平衡[10]，而這兩種分子均是黑素干細胞分化中的重要調(diào)控因子。

1.2 骨形成蛋白（BMP）/轉(zhuǎn)化生長因子β（TGF-β）通路：骨形成蛋白（bone morphogenetic protein， BMP）屬于TGF-β超家族成員。在毛囊的發(fā)生過程中，BMP-2表達于毛囊內(nèi)根鞘并參于毛干的生成，BMP-4表達于毛囊外毛根鞘，參與毛囊隆突的形成，并調(diào)節(jié)毛囊上皮干細胞向皮脂腺、汗腺和表皮細胞分化。在人毛囊干細胞中BMP-4亦促進DKK3分子表達上調(diào)[11]，DKK3是近期發(fā)現(xiàn)的一種分泌型糖蛋白，能夠特異地與Wnt分子Lrp-6結(jié)合從而抑制Wnt通路，因此，可能參與抑制毛囊黑素干細胞的分化。Nishimura等[3]發(fā)現(xiàn)，在體外，毛囊干細胞中TGF-β可通過下調(diào)Mitf及其下游的黑素細胞基因的表達，從而抑制黑素干細胞的分化成熟；在體內(nèi)，TGF-β信號的活化可使毛囊黑素干細胞重新進入靜止狀態(tài)并抑制其分化，這些結(jié)果表明TGF-β通路是維持毛囊黑素干細胞處于靜止狀態(tài)的關(guān)鍵因素之一，其可能通過調(diào)控Wnt信號系統(tǒng)發(fā)揮作用。

1.3 內(nèi)皮素-1（ET-1）：內(nèi)皮素系統(tǒng)包括內(nèi)皮素及其受體。毛囊上皮干細胞與毛囊外毛根鞘角質(zhì)形成細胞均可生成ET-1，而毛囊黑素干細胞表達了內(nèi)皮素受體（EDNR），因此毛囊上皮干細胞與外毛根鞘角質(zhì)形成細胞分泌的ET-1與黑素干細胞表面的EDNR結(jié)合調(diào)控了該細胞的分化與增殖。體外實驗已經(jīng)證實，ET-1是黑素細胞的強促裂源，可明顯促進毛囊前體黑素細胞增殖。既往已有研究表明ET-1可調(diào)控毛囊外根鞘無色素黑素細胞在毛囊基底膜成分上黏附和移行[12]。在體外研究中，Rabbani等發(fā)現(xiàn)在生長期開始毛囊上皮干細胞在Wnt信號作用下，細胞分泌ET-1和ET-2增加，進而黑素干細胞EDNR表達增加，因此ET與受體結(jié)合促進了黑素干細胞的分化，他們進一步通過BQ788拮抗EDNR受體阻斷該通路，發(fā)現(xiàn)毛囊黑素干細胞停止分化與增殖。綜上所述，內(nèi)皮素系統(tǒng)在微環(huán)境對毛囊黑素干細胞的調(diào)控中起重要作用。

2 毛乳頭細胞對毛囊黑素干細胞的調(diào)節(jié)作用

毛乳頭細胞可分泌多種因子調(diào)控毛囊上皮干細胞和黑素干細胞的分化，其中SCF/c-Kit信號系統(tǒng)是最為重要的一條通路[13]。干細胞因子（stem cell factor， SCF）對于毛囊黑素細胞屬于旁分泌因子，來源于毛乳頭細胞、角質(zhì)形成細胞和真皮成纖維細胞。SCF與黑素細胞膜表面的Kit 結(jié)合后可激活Kit，而Kit 激活以后可以通過啟動絲裂原激活的蛋白激酶途徑（MAPK）上調(diào)Mitf的活性進而調(diào)控黑素干細胞的分化，亦可協(xié)同ET-1促進黑素干細胞的增生和分化。既往實驗表明，毛囊黑素干細胞從隆突區(qū)進入外毛根鞘后開始表達c-Kit，c-Kit受體阻斷劑局部注射小鼠皮內(nèi)可以導致小鼠毛發(fā)變白。這些結(jié)果證明SCF/c-Kit信號系統(tǒng)在毛囊黑素干細胞形成毛囊黑素單元過程中具有重要作用。Nishimura等[14]實驗表明，經(jīng)過ACK2阻斷K14-SLF/+； Dct-lacZ/+轉(zhuǎn)基因小鼠的Kit基因后，隆突中存活的黑素干細胞的子代細胞在表皮表達SCF的情況下可以向上遷移至表皮，提示表皮SCF的表達誘導了毛囊黑素干細胞向表皮移行并分化。這些結(jié)果均說明SCF/c-Kit信號系統(tǒng)對黑素干細胞的重要調(diào)節(jié)作用。

3 毛囊其他細胞成分及信號通路對毛囊黑素干細胞的調(diào)節(jié)作用

除了毛囊上皮干細胞和毛乳頭細胞，毛囊中還有角質(zhì)形成細胞及其他重要的信號通路在黑素干細胞的分化和增殖中發(fā)揮重要作用，如介導細胞間相互作用的Notch通路、影響黑素干細胞增殖和分化的細胞內(nèi)重要轉(zhuǎn)錄因子Mitf、Pax3、Sox10等。

3.1 Notch通路：Notch受體及配體均為跨膜蛋白。Aubin等[15]在敲除RBP-J基因的小鼠體內(nèi)，利用Dct-lacZ報告基因跟蹤單個毛囊的黑素細胞及前體黑素細胞的發(fā)育，發(fā)現(xiàn)Notch/RBP-J缺陷的黑素細胞在毛囊內(nèi)數(shù)量減少并集中在毛囊下部的恒定區(qū)，這說明Notch信號對黑素干細胞進入毛球部之前具有抑制黑素干細胞分化的作用，且Notch信號通路參與了黑素前體細胞在外毛根鞘以及黑素細胞在毛母質(zhì)的定位。Kumano等[16]給C57/BL6成年小鼠口服γ-分泌酶抑制劑GSI以阻斷Notch信號通路，發(fā)現(xiàn)小鼠毛發(fā)出現(xiàn)逐漸增多的點狀變灰區(qū)域，同時免疫組化顯示毛囊隆突區(qū)黑素前體細胞急劇減少。此外，還發(fā)現(xiàn)Notch 1和Notch 2可協(xié)同c-Kit信號通路調(diào)控黑素前體細胞的發(fā)育分化。

3.2 小眼畸形相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（Mitf）：Mitf是黑素細胞譜系的主要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，可以與TYR、TRP1和TRP2基因啟動子的E-box和M-box的“CATGTG”模板結(jié)合，從而促進這些基因表達[17]。研究發(fā)現(xiàn)，在各時期胎兒皮膚組織的免疫組化中除了表皮之外，毛囊外毛根鞘區(qū)、隆突區(qū)均可見Mitf陽性表達的細胞，提示Mitf可能為毛囊部向上皮細胞系和黑素細胞系分化的干細胞的一種標志物[18]。Taylor等[19]發(fā)現(xiàn)Mitf活性的降低可導致已分化黑素細胞的分裂急劇增加，這支持Mitf除了促進黑素細胞分化也可使其細胞周期停滯。他們的研究結(jié)果表明了一個已分化黑素細胞在體內(nèi)分裂的新途徑，且Mitf活性是已分化黑素細胞維持細胞周期的關(guān)鍵。

3.3 轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子成對盒3（PAX3）：Pax3是黑素干細胞細胞中一種重要的轉(zhuǎn)錄因子，它影響黑素細胞的增殖、抗凋亡、遷移和分化等。Pax3和兩個其他轉(zhuǎn)錄因子，Sox10和Mitf，對黑素細胞的發(fā)育和分化至關(guān)重要[8]。這些因素都通過相同的途徑，即Pax3和Sox10激活Mitf的表達，進一步調(diào)控黑素干細胞的分化[20-21]。上述Wnt信號可通過影響黑素干細胞中Pax3，Sox10和Mitf的分子平衡參與調(diào)控黑素細胞的分化[22]。此外，由Pax3基因編碼的蛋白是Mitf的重要調(diào)節(jié)因子，而TGF-β可以直接抑制皮膚中Pax3的表達，進一步調(diào)控Mitf的作用。

3.4 編碼性別相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子Sox10：Sox10可協(xié)同Pax3作用激活Mitf的表達[23]，Sox10還可通過與特異性β1糖蛋白協(xié)同或單獨調(diào)節(jié)EDNRB基因的轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)節(jié)黑素干細胞EDNRB的表達水平[24]。

總之，參與調(diào)控毛囊黑素干細胞分化與移行的細胞、細胞因子及信號通路之間存在著廣泛的交叉網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。細胞外信號通路通過調(diào)控細胞內(nèi)信號通路相互協(xié)調(diào)完成了對黑素干細胞的調(diào)控功能，如：Sox10、Pax3和Mitf等這些內(nèi)在轉(zhuǎn)錄因子的活性是由細胞外的信號通路如Wnt， Edn， SCF及其他未確定的信號通路控制和調(diào)節(jié)的。這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的相互作用是激活或抑制，但控制這一過程的時間及空間因素仍需進一步研究[25]。

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